Question

7．氨气是化学工业上应用非常广泛的物质．侯氏制碱法的第一步反应是向饱和氨化盐水中通入二氧化碳．现在45℃时，取117g食盐配制成饱和溶液，向其中通入适量氨气后，再向其中通入二氧化碳，使反应进行完全．试计算并回答下列问题（计算结果取三位有效数字）（有关物质的溶解度数据如表，单位：g/100g水）．

1	NaCl	NaHCO3	NH4Cl
10℃	35.8	8.15	33.0
45℃	37.0	14.0	50.0

（1）117g食盐理论上可以制取纯碱106g；45℃反应完毕后，有晶体析出；溶液中剩余水280g，析出晶体的质量129g；过滤除去析出的晶体后再降温至10℃，又有晶体析出，则所析出晶体的质量共30.8克．
工业制硝酸也是氨气重要用途之一，反应如下：
4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O       2NO+O₂→2NO₂      3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO
设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气的体积分数为0.80．
（2）a mol NO完全转化为HNO₃理论上需要氧气0.75amol；为使NH₃恰好完全氧化为NO，氨-空气混合气体中氨的体积分数（用小数表示）为0.14．
（3）20.0mol NH₃用空气氧化，产生混合物的组成为：NO 18.0mol、O₂ 12.0mol、N₂ 150.0mol和一定量硝酸，以及其他成分（高温下NO与O₂不化合）．计算氨转化为HNO₃的转化率．
（写出简要计算过程）

Answer 1

分析 （1）根据反应的方程式NaCl+NH₃+CO₂+H₂O=NaHCO₃+NH₄Cl，2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O计算生成Na₂CO₃的质量；根据溶解度计算出需要的水的质量，减去反应的水的质量，最终计算出剩余水的质量；根据反应的方程式计算生成NaHCO₃的质量，结合溶解度计算析出晶体的质量；根据水的质量，结合各物质的溶解度判断析出晶体并计算质量；
（2）根据一氧化氮和氧气完全转化为HNO₃的关系式计算；使NH₃恰好完全氧化为NO，根据氨气计算需要氧气的量，再根据体积分数公式进行计算；
（3）根据反应过程中氮气的量不变进行计算，算出生成硝酸的物质的量，再根据原子守恒计算转化率．

解答 解：（1）117g食盐的物质的量为n（NaCl）=$\frac{117g}{58.5g/mol}$=2mol，
则  NaCl+NH₃+CO₂+H₂O=NaHCO₃+NH₄Cl
     1          1      1
    2mol    2mol    2mol
2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O
2                                   1
2mol                           1mol
n（Na₂CO₃）=1mol，m（Na₂CO₃）=1mol×106g/mol=106g，
取117g食盐配制成饱和溶液，需要水的质量为：$\frac{117g×100}{37.0}$=316g，用掉水的质量为2mol×18g/mol=36g，溶液中剩余水的质量为：316g-36g=280g，
m（NaHCO₃）=2mol×84g/mol=168g，此时，溶液中水的质量为280g，溶解NaHCO₃的质量为$\frac{280}{100}$×14g≈39.0g，所以析出的质量为168g-39g=129g，
水的质量为280g，则过滤除去晶体后再降温至10℃，溶解NaHCO₃的质量为8.15g×$\frac{280}{100}$=22.8g，析出NaHCO₃的质量为39.0-22.8=16.2g，
生成的NH₄Cl质量为2mol×53.5g/mol=107g，溶液溶解的NH₄Cl质量为33.0g×$\frac{280}{100}$=92.4g，析出的NH₄Cl质量为107g-92.4g=14.6g，
所以析出的物质的为NH₄Cl和NaHCO₃，总质量为16.2g+14.6g=30.8g，
故答案为：106；280；129；30.8；
（2）设需要氧气的物质的量为x，
4NO+2H₂O+3O₂=4HNO₃
4mol          3mol
amol            x
x=$\frac{3a}{4}$mol=0.75amol，则需要氧气的物质的量为0.75a mol，
根据氨气被氧气恰好完全氧化为NO的方程式，可假设氨气的体积是4L，设需要空气的体积为y，
4NH₃+5O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$4NO+6H₂O
4          5
4L      0.20y
y=$\frac{4×5}{4×0.20}$L=25L，氨-空气混合物中氨的体积分数=$\frac{4L}{4L+25L}$≈0.14，
故答案为：0.75a；0.14；
（3）设生成x mol HNO₃，空气中氧气的体积分数为0.20，氮气的体积分数为0.80，空气中氮气的量是氧气的4倍，4（2x+18.0×$\frac{5}{4}$+12.0）=150.0，解得：x=1.5（mol），根据氮原子守恒，NH₃的转化为HNO₃的转化率=$\frac{1.5mol}{20.0mol}$×100%=7.5%，
故答案为：7.5%．

点评 本题考查纯碱的制备和计算、氧化还原反应的计算，难点是计算转化率，明确氮气和氧气的关系是解答关键，题目难度中等，注意有关溶解度计算的方法．